Из потомственной дворянской семьи. Закончил с золотой медалью Рязанскую гимназию (1847), историко-филологический факультет Московского университета (1851). С 1859 по 1873 г. Б. управлял Чертковскою библиотекою в Москве.
Сотрудничал в ряде журналов, опубликовал ряд статей, а затем и монографий, посвящённых А. С. Пушкину. Вёл записи рассказов о Пушкине от современников поэта, во многом его публикации имеют значение первоисточника. Стал наряду со своим «конкурентом» П. В. Анненковым основателем пушкинистики. C 1863 года издавал журнал «Русский архив», где публиковались исторические и литературно-биографические материалы.
Пётр Бартенев был членом Союза Русских Людей.